کاربرد تئوری فرکتالی در کمّی‌سازی ساختمان برخی از راسته‌های خاک در استان فارس

آب و خاک

مقاله 3، دوره 31، شماره 4 - شماره پیاپی 54، مهر 1396، صفحه 1171-1186   

نوع مقاله: مقالات پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jsw.v31i4.57888

نویسندگان

علی داد کرمی¹؛ روح اله زارع^{* 2}؛ وحید اله جهاندیده مهجن آبادی³

¹استادیار بخش تحقیقات خاک و آب، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی فارس، سازمان تحق

²بخش خاکشناسی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات فارس، شیراز، ایران

³دانشگاه شیراز

چکیده

ساختمان خاک و پایداری آن با بسیاری از فرآیندهای کشاورزی و زیست‌محیطی در ارتباط است. از این رو توصیف و کمّی‌سازی ساختمان خاک از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. ولی ساختمان خاک بصورت کیفی (مکعبی، دانه‌ای و ...) بیان می‌شود. هدف از این تحقیق تعیین پایداری خاکدانه‌ها و استفاده از هندسۀ فرکتالی و تعیین بُعد فرکتالی ساختمان خاک در برخیازراسته‌هایخاکبود که نتیجه در مدل‌های کاربردی برای بیان فرآیندهای خاک و مدل‌سازی قابل استفاده خواهد بود. بنابراین از افق‌های مشخصۀ هفت راستۀ خاک شامل انتی‌سول، ورتی‌سول، اریدی‌سول، مالی‌سول، الفی‌سول، هیستو‌سول و اینسپتی‌سول در استان فارس نمونه‌برداری خاک (27 نمونه) انجام گردید. ویژگی‌های خاک شامل توزیع اندازة خاکدانه‌ها، بافت، درصد رطوبت اشباع، کربن آلی، EC، pH، گچ و آهک اندازه‌گیری و میانگین وزنی قطر خاکدانه‌ها (MWD) و میانگین هندسی قطر خاکدانه‌ها (GMD) و بُعد فرکتالی خاکدانه‌ها محاسبه شد. نتایج نشان داد که همبستگی معنی‌داری بین بُعد فرکتالی مدل‌های ریو و اسپوزیتو (DnR) و تیلر و ویت‌کرافت (DmT) با MWD و GMD با ویژگی‌های خاک وجود داشت. این همبستگی بین پارامترهای فرکتالی با ماده آلی، جرم مخصوص ظاهری، درصد رس و درصد شن، قوی‌تر از دیگر ویژگی‌های خاک بود. همبستگی منفی و معنی‌داری (در سطح یک درصد) بین DnR و DmT با MWD و GMD وجود داشت. به‌طوری که راسته‌های خاکی که عدد بُعد فرکتالی کمتری داشتند، MWD و GMD بزرگتری داشتند. ضریب تبیین، میانگین خطاها، ریشة میانگین مربعات خطاها، مجذور مربعات باقی‌مانده‌ها، مجذور مربعات عدم برازش و آماره آکایک مطلوبیت بیشتر مدل تیلر و ویت‌کرافت را نشان داد. مدل ریو و اسپوزیتو نیز مدل مناسبی بود گرچه در مواردی بُعد فرکتالی را زیاد محاسبه کرد که دلیل آن احتمالاً حساسیت زیاد این مدل می‌باشد. به‌طور کلی بُعد فرکتالی از اهمیت ویژه‌ای برای مطالعه و کمّی‌سازی ساختمان خاک برخوردار است و مقدار آن به استثناء راستۀ هیستوسول در دیگر راسته‌ها در محدودۀ مناسب (3) بود.

کلیدواژه‌ها

بُعد فرکتالی؛ پایداری خاکدانه‌ها؛ توزیع اندازۀ خاکدانه‌ها؛ راستۀ خاک؛ ساختمان خاک

مراجع

1. Akaike H. 1974. A new look at the statistical model identification. IEEE Transactions on Automatic Control AC, 19: 716-723.

2. Ataei A., Gorgi, M. and Parvizi, Y. 2014. Evaluation of the suitability of fractal dimension of soil aggregates in assessing different soil management practices. Iranian Journal of Soil Research, 28: 701-712. (in Persian with English abstract).

3. Bayat H., Neyshabouri M.R., Mohammadi K. and Narimanzadeh, N. 2011. Estimating water retention with pedotransfer functions using multi-objective group method of data handling and ANNs. Pedosphere, 21: 107–114.

4. Beare M.H., Hendrix P.F. and Coleman D.C. 1994. Water- stable aggregates and organic matter fractions in conventional and no-tillage soils. Soil Science Societyof American Journal, 58: 777-786.

5. Belaid H. and Habaieb H. 2015. Soil aggregate stability in a Tunisian semi-arid environment with reference to fractal analysis. Journal of Soil Science Environment Management, 6(2): 16-23.

6. Boix-FayosC., Calvo-Cases A. and Imeson A.C. 2001. Influence of soil properties on the aggregation of some Mediterranean soils and the use of aggregate size and stability as land degradation indicators. Journal of Catena, 44: 47– 67.

7. Bronik C.J. and Lal R. 2005. Soil structure and management: a review. Geoderma, 124: 3-22.

8. Cambardella C.A. 2006. Aggregation and organic matter. P52-55, In: Lal R. (Ed.), Encyclopedia of Soil Science. Taylor and Francis, Boca Raton, FL.

9. Caruso T., Barto E.K., Siddiky M.R.K., Smigelski J. and Rillig M.C. 2011. Are power laws that estimate fractal dimension a good descriptor of soil structure and its link to soil biological properties. Soil Biology and Biochemestry, 43: 359-366.

10. Chepil W.S. 1950. Methods of estimating apparent density of discrete soil grains. Soil Science, 70: 351-362.

11. Dahiya I.S., Richter J. and Malik R.S. 1984. Soil spatial variability: A review. International Tropical Agriculture, 77: 1-102.

12. Diaz-Zorita M., Perfect E., Grove J.H. 2002. Descriptive methods for assessing soil structure. Soil and Tillage Research, 64: 3-22.

13. Ding Q. and Ding W. 2007. Comparing stress wavelets with fragment fractals for soil structure quantification. Soil and Tillage Research, 93: 316–323.

14. Duhour A., Costa C., Momoa F., Falco L. and Malacalza L. 2009. Response of earthworm communities to soil disturbance: Fractal dimension of soil and species’ rank-abundance curves. Applied Soil Ecology, 43: 83–88.

15. Eghball B., Mielke L.N., Calvo G.A. and Wilhelm W.W. 1993. Fractal description of soil fragmentation for various tillage methods and crop sequences. Soil Science Society American Journal, 57: 1337-1341.

16. Filgueira R.R., Fournier L.L., Sarli G.O., Aagon A. and Rawals, W.J. 1999. Sensitivity of fractal parameters of soil aggregates to different management practices in a Phaeozem in central Argentina. Soil and Tillage Research, 52: 217-222.

17. Gardner W.R. 1956. Representation of soil aggregate-size distribution by a logarithmic-normal distribution. Soil Science American Proceeding, 20: 151-153.

18. Gee G.W. and Bauder J.W. 1986. Particle size analysis. P383-411, In: Klute, A. (Ed.), Methods of Soil Analysis, Part I, 2d Madison, WI. American Society Agronomy.

19. Grossman R.B. and Reinsch T.G. 2002. Bulk density and linear extensibility. P201-228, In: Warren, A.D. (ed.). Methods of Soil Analysis. Part 4. Physical Methods. Soil Science SocietyAmerican Inc.

20. Gulser C. 2006. Effect of forage cropping treatments on soil structure relationships with fractal dimensions. Geoderma. 131: 33–44.

21. Huang G. and Zhang R. 2005. Evaluation of soil water retention curve with the pore-solid fractal model. Geoderma. 127: 52-61.

22. Karami A., Homaeea M., Afzalinia S., Ruhipour H. and Basirat S. 2012. Organic resource management: Impacts on soil aggregate stability and other soil physico-chemical properties. Agricutural Ecosystem and Environment, 148: 22–28.

23. Kutlu T., Ersahin S. and Yetgin B. 2008. Relations between solid fractal dimension and some physical properties of soils formed over alluvial and colluvial deposits. Journal of Food Agricultural Environment, 6: 45-449.

24. Larney F.J. 2008. Dry-aggregate size distribution. P821-83, In: Carter M.R., Gregorich E.G. (Eds.), Soil Sampling and Methods of Analysis. Canadian Society of Soil Science, CRC Press, Boca Raton, FL.

25. Mazurak A.P. 1950. Effect of gaseous phase on water-stable synthetic aggregates. Soil Science, 69: 135–148.

26. McLean E.O. 1988. Soil pH and lime requirement. PP199-224, In: Page A. L. (Ed.), Methods of Soil Analysis. Part, American Society of Agronomy, Soil Science Society America, Madison, Wis.

27. Millan H., Gonzalez-Posada M., Aguilar M., Dominguez J. and Cespedes L. 2003. On the fractal scaling of soil data. Particle-size distributions. Geoderma, 117: 117-128.

28. Nadler A., Perfect E. and Kay B.D. 1996. Effect of polyacrylamide application on the stability of dry and wet aggregate. American Journal of Soil Science Society, 60: 555-561.

29. Olawale O.J., Abu S.T. and Dorcas, O.O. 2016. Evaluation of soil aggregate stability under long term land management system. International Journal of Plant and Soil Science, 9(2): 1-7.

30. Page A.L., MillerR.H, and Keeney, D.R. 1982. Methods of soil analysis, Part II, Physical properties, ASA, Soil Science Society of America, Madison, WI.

31. Parent L.E., Parent S.E., KättererT. and Egozcue J.J. 2011. Fractal and compositional analysis of soil aggregation. Proceedings of the 4th International Workshop on Compositional Data Analysis. P9-13.

32. Perfect E. and Blevnis R.L. 1997. Fractal characterization of soil aggregation and fragmentation as influenced by tillage treatment. Soil Science Society American Journal, 61: 896-900.

33. Perfect E. and Kay B.D. 1991. Fractal theory applied to soil aggregation. Soil Science SocietyAmerican Journal, 55: 1552-1558.

34. Perfect E., Kay B.D. and Rasiah V. 1993. Multifractal model for soil aggregate fragmentation. Soil Science SocietyAmerican Journal, 57: 896-900.

35. Perfect E., Kenst A.B., Diaz-Zorita M. and Grove J.H. 2004. Fractal analysis of soil water desorption data collected on disturbed samples with water activity meters.Soil Science Society American Journal, 68:1177–1184.

36. Perfect E., Pachepsky Y. and Martin M.A. 2009. Fractal and multiracial models applied to porous media. Vadose Zone Journal, 7: 174–176.

37. Perfect E., Rasiah V. and Kay B.D. 1992. Fractal dimension of soil aggregate- size distribution calculated by number and mass. Soil Science Society American Journal, 56: 1407-1409.

38. Pirmoradian N., Sepaskhah A.R. and Hajabbasi M.A. 2005. Application of fractal theory to quantify soil aggregate stability as influenced by tillage treatments. Biosystem Engineering, 90: 227-234.

39. Puri A.M. and Puri B.R. 1939. Physical characteristics of soil. ΙΙ. Expressing mechanical analysis and state of aggregation of soil values. Soil Science, 33: 141-163.

40. Rasiah V., Kay B.D. and Perfect E. 1992. Evaluation of selected factors influencing aggregate fragmentation using fractal theory. Canadian Journal of Soil Science, 72: 97-106.

41. Rasiah V., Kay B.D. and Perfect E. 1993. New mass – based model for estimating fractal dimension of soil aggregates. Soil Science Society American Journal, 57: 891-895.

42. Rieu M. and Sposito G. 1991. Fractal fragmentation, soil porosity, and soil water properties: Π. Applications. Soil Science Society American Journal, 55:1239-1244.

43. Soil Survey Division Staff. 2010. Soil Survey Manual United States Department of Agriculture, Washington. P97-123.

44. Sparks D.L., Page A.L., Helmke P.A., Leoppert R.H., Soltanpour P.N., Tabatabai M.A., Johnston G.T. and summer M.E. 1996. Methods of soil analysis. Madison. Soil Science Society of America.

45. Su Y.Z., Zhao H.L., Zhao W.Z. and Zhang T.H. 2004. Fractal features of soil particle size distribution and the implication for indicating desertification. Geoderma, 122: 43–49.

46. Tyler S.W. and Wheatcraft S.W. 1992. Fractal scaling of soil particle-size distributions: analysis and limitations. Soil Science Society American Journal, 56: 362-369.

47. vanBavel C.H.M. 1949. Mean weight-diameter of soil aggregation as a statistical index of aggregation. Soil Science Society American Journal, 14: 20–23.

48. Walczak R.T., MorenoF., Sławinski C., Fernandez E. and Arru J.L. 2006. Modeling of soil water retention curve using soil solid phase parameters. Journal of Hydrology, 329: 527–533.

49. Wang D., Fu B., Zhao W., Hu H., and Wang Y. 2008. Multifractal characteristics of soil particle size distribution under different land-use types on the Loess Plateau, China. Catena, 72: 29–36.

50. Zicheng Z., Shuqin H. and Tingxuan L. 2011. Fractal dimensions of soil structure and soil anti-erodibility under different land use patterns. African Journal of Agricultural Research, 6: 5496-5504.